第四章存储器管理-2

1、离散分配方式基本思想：将一个进程分散的装入不相邻的分区基本思想：将一个进程分散的装入不相邻的分区中。中。离散分配的基本单位是离散分配的基本单位是页页，则称为，则称为分页存储管理分页存储管理方式方式；如果如果离散分配的基本单位是离散分配的基本单位是段段，则称为，则称为分段存储分段存储管理方式管理方式。 4.5 分页存储管理分页存储管理方式方式1、页面和物理块、页面和物理块 将将一个进程的一个进程的逻辑地址空间逻辑地址空间分成若干个分成若干个大小大小相等的片相等的片，称为，称为页面或页页面或页，并为各页编，并为各页编号，从号，从0 0开始，如第开始，如第0 0页、第页、第1 1页等。页等。 把把内

2、存空间内存空间分成与页面分成与页面相同大小相同大小的若干个的若干个存储块，称为块或页框，也加以编号，如存储块，称为块或页框，也加以编号，如0#0#、1#1#块等。块等。 以块为单位将进程中的若干个页分别装以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。入到多个可以不相邻接的物理块中。页内碎片页内碎片 由于进程的最后一页经常不满一块而形成可不可利用的碎片，称之为“页内碎片页内碎片”。页面大小 通常1KB8KB页面太小：页内碎片小，提高内存利用率，但页表过长，占内存；降低对换效率。页面太大：提高了对换速度。但页内碎片大，降低了内存利用率。2、地址结构页号页号P位移量位移量W011

3、1231位移量位移量W又称页内地址：又称页内地址：每页大小：每页大小：212=4KB地址空间中最多有：地址空间中最多有：220=1M页页例：页号页号P位移量位移量W091015每页大小：每页大小：210=1KB地址空间中最多有：地址空间中最多有：26=64页页逻辑地址逻辑地址A页面大小页面大小L页号页号P页内地址页内地址d页面大小页面大小L逻辑地址逻辑地址A0则：则：P=A/L d=AMOD L例如：例如：逻辑地址逻辑地址A=2170B，页面大小，页面大小L=1KB。求页号及页内。求页号及页内地址。地址。解解:页号页号P=A/LP=A/L =2页内地址页内地址d =AMOD L=122d =A

4、MOD L=1223、页表、页表 系统系统为了能在内存中找到为了能在内存中找到每个页面每个页面对应的对应的物理物理块块而为进程建立的一张页面映像表，简称而为进程建立的一张页面映像表，简称页表页表。 页表作用：实现从页表作用：实现从页号页号到到物理块号物理块号的地址映射。的地址映射。0页页1页页2页页3页页4页页n页页用户程序用户程序页表页表内存内存页号页号 块号块号页表表页表表项中常设有项中常设有存取控制字存取控制字段段，对存，对存储块中内容加以保护。储块中内容加以保护。一位：一位： 允许允许读读/写写 只读只读两两位：位： 允许读允许读/写写 只读只读只执行只执行页表由一组专门的寄存器来实现

5、页表由一组专门的寄存器来实现, ,一个一个页表项用一个寄存器。页表项用一个寄存器。页表大多数驻留在内存中。页表大多数驻留在内存中。系统中只设置一个系统中只设置一个页表寄存器页表寄存器PTRPTR, ,存存放页表在内存的放页表在内存的始值始值和页表的和页表的长度长度。进程未执行时，页表的始值和页表长进程未执行时，页表的始值和页表长度存放在本进程度存放在本进程PCBPCB中。当调度到进程中。当调度到进程时，装入时，装入页表寄存器页表寄存器中。中。图4-15分页系统的地址变换机构 页表寄存器页表始址页表长度页号(3)页内地址逻辑地址L越界中断1块号b页表页号012物理地址34.5.2地址变换机构地址

6、变换机构1、基本的地址变换机构、基本的地址变换机构逻辑地址被分为两部分：逻辑地址被分为两部分： 页号页号 页内位移页内位移例如逻辑地址1500的二进制形式为0000 0101 1101 1100由于页的大小为1024B（210），故页内位移占10位，剩下6位为页号逻辑地址1500对应的页号为1（二进制为0000 01） 页内位移为476（二进制为01 1101 1100）页式存储管理逻辑地址结构页号 页内位移15 10 9 0页式存储管理地址变换机构LOAD 1,150012345050015003000进程逻辑地址空间LOAD 1,1500123452 70 41 6页号 块号页表00000

7、1 0111011100逻辑地址1500000110 0111011100物理地址662066201K2K3K4K5K6K7K8K内存物理地址空间2、快表引入原因CPU存取一个数据时要两次访问内存：第一次是访问页表，找到指定页的物理块号，再将块号与页内偏移量W拼接形成物理地址。第二次访问内存，从所得地址中获得所需数据（或向此地址中写入数据）。 “联想寄存器联想寄存器” 或或 “快表快表”：为为提高地址变换提高地址变换速度，速度，增设增设一个具一个具有并行查询能力的有并行查询能力的高速缓冲寄存器高速缓冲寄存器，称为，称为，用于存放用于存放当前访问的页表项当前访问的页表项。地址变换过程cpu给出有

8、效地址，由地址变换机构自动地将页号p送入高速缓冲存储器，并将此页号与高速缓存中的所有页号进行比较，若有与此相匹配的页号，则表示所要访问的页表项在快表中。于是，可直接读出该页所对应的物理块号，并送物理地址寄存器中。页号高速缓冲存储器 页号匹配 如在快表中末找列对应的页表项，还须再访问内存中的页表，找到后，把从页表项中读出的物理块号送地址寄存器；同时，还将此页表项存入快表中的一个寄存器单元中，亦即置新修改快表、但如果联想存储器已满，则os必须找到一个老的且已被认为不再需要的页表项将它换出。图4-16具有快表的地址变换机构 页表寄存器页表始址页表长度页号页内地址逻辑地址L越界中断块号b页表页号页号输

9、入寄存器块号bb快表d物理地址v快表通常只存放快表通常只存放1651216512个页表个页表项项v大型作业只能将其一部分页表大型作业只能将其一部分页表项放入其中项放入其中v从快表能找到所需页表项的命从快表能找到所需页表项的命中率可达中率可达90%90%。 4.5.3访问内存的有效时间访问内存的有效时间例： 检索联想存储器的时间为检索联想存储器的时间为20ns，访问内，访问内存的时间为存的时间为100 ns。如果能在联想存储。如果能在联想存储器中检索出页号，则器中检索出页号，则CPU存取数据总共存取数据总共需要需要 如果不能在联想存储器中找到该页号，如果不能在联想存储器中找到该页号，则总共需要则

10、总共需要 。再假定访问联想。再假定访问联想存储器的命中率分别为存储器的命中率分别为o，5o，80，90，98，计算有效访问，计算有效访问时间。时间。t1120 ns。t2220 ns有效访问时间：有效访问时间：T命中率：命中率：hT=h*t1+(1-h)*t2命中率命中率% 1 0 50 80 90 98220170140130122 假如假如：有：有3232位逻辑地址空间的分页系统，位逻辑地址空间的分页系统，规定页面大小为规定页面大小为4KB4KB即即2 21212B B，则在每个进程页表，则在每个进程页表中中页表项页表项可达可达1M1M（2 22020）个之多。又因为每个页）个之多。又因为

11、每个页表项占用表项占用4 4个字节，故每个进程仅仅其页表就要个字节，故每个进程仅仅其页表就要占用占用4MB4MB的内存的内存空间。空间。4.5.4两级和多级页表两级和多级页表 解决方法：解决方法：1 1 如果用如果用离散分配方式离散分配方式解决，则难以解决，则难以找到连找到连续的大内存空间续的大内存空间的。的。2 2 只将当前需要的部分页表项调入内存，其只将当前需要的部分页表项调入内存，其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要余的页表项仍驻留在磁盘上，需要时再调时再调入。入。 1 1、两级页表、两级页表 为为离散分配的页表再建立的一张页表，称为离散分配的页表再建立的一张页表，称为外外层页表层页表，在每

12、个页表项中记录了页表页面的物理块，在每个页表项中记录了页表页面的物理块号。号。 以以32位逻辑地址空间为例位逻辑地址空间为例 当页面大小为当页面大小为4KB时（时（12位），若采用一级页表结位），若采用一级页表结构，应具有构，应具有20位的页号，即页表项应有位的页号，即页表项应有1M（220）个）个； 用两级页表时，再对页表进行分页，使每页中包含用两级页表时，再对页表进行分页，使每页中包含210个页表项，最多允许有个页表项，最多允许有210个页表分页；即外层页个页表分页；即外层页表中的外层页内地址表中的外层页内地址P2为为10位，外层页号位，外层页号P1也为也为10位。位。逻辑地址结构外层页号

13、外层页号外层页内地址外层页内地址页内地址页内地址31 22 21 12 11 0 两级页表结构 101110780121742n第0页页表1460121023第1页页表114115011023外部页表012345671141151468第n页页存空间图4-18 具有两级页表的地址变换机构 外部页号P1P2外部页内地址 页内地址d逻辑地址外部页表寄存器外部页表db页表页表物理地址 4.6分段存储管理方式 4.6.1分段分段存储的引入存储的引入 4.6.2分段分段系统的基本原理系统的基本原理4.6.3信息信息共享共享4.6.4段段页式存储管理方式页式存储管理方式4.6.1

14、分段分段存储的引入存储的引入1 1）方便编程）方便编程2 2）信息共享）信息共享3 3）信息保护）信息保护4 4）动态增长）动态增长5 5）动态链接）动态链接段的保护存取控制：在段表中增加存取保护位，用于设置对本段的存取方式，如可读。可写或可执行。 段表保护：每个进程都有自己的段表，段表本身对段可起到保护作用。 保护环：系统把所有信息按照其作用和相互调用关系分成不同的层次（即环）， 低编号的环具有较高的权限，编号越高，其权限越低，如图所示。它支持4个保护级别：0级权限最高，3级最低。 段的保护措施用户程序3库函数2系统调用1内核01 1、分段、分段 在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分在

15、分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义一组为若干个段，每个段定义一组逻辑信息逻辑信息。每个段都从0开始编址。采用一段连续的地址空间。段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而段长不等。整个作业的地址空间分成多个段，是二维的。4.6.2分段系统的基本原理分段系统的基本原理逻辑地址结构段号段号段内地址段内地址31 16 15 0允许一个作业最多有允许一个作业最多有64K个个段段每个段的最大长度为每个段的最大长度为64KB2、段表 系统系统为每一个进程建立一张段映射表，为每一个进程建立一张段映射表，简称段表。用于实现从简称段表。用于实现从逻辑段逻辑段到到物理内存物理内存的的映

16、射。映射。图利用段表实现地址映射 作业空间(MAIN)=0030 K(X)=1020 K(D)=2015 K(S)=3010 K30 K20 K15 K10 K40 K80 K段长基址段号(MAIN)=030 K(X)=120 K(D)=215 K(S)=310 K040 K80 K120 K150 K段表内存空间0123120 K150 K图4-20分段系统的地址变换过程 控制寄存器段表始址段表长度2100段号S越界1 K段长600段号01236 K4 K5002008 K9200基址位移量W82928K82928692主存物理地址有效地址3 3、地址变换、地址变换4、分页和分段区别（1 1

17、）页是信息的）页是信息的物理单位物理单位，分页是，分页是为由于为由于系统系统管理的需要。管理的需要。 段是信息的段是信息的逻辑单位逻辑单位，分段是，分段是为了满足为了满足用户用户的需要。的需要。4、分页和分段区别（2 2）页的大小）页的大小固定固定且由且由系统系统决定，决定， 段的长度段的长度不固定不固定，决定于，决定于用户所编用户所编写的程序写的程序，通常由编译程序在对源，通常由编译程序在对源程序进行编译时，根据信息的性质程序进行编译时，根据信息的性质来划分。来划分。4、分页和分段区别（3）分页的作业地址空间是分页的作业地址空间是一维一维的，的，程序员只需利用一个记忆符，即可程序员只需利用一

18、个记忆符，即可表示一个地址；表示一个地址； 分段的作业地址空间则是分段的作业地址空间则是二维二维的，的，程序员在标识一个地址时，既需给程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地值。出段名，又需给出段内地值。可重入代码可重入代码 又称纯代码 ：一种允许多个进程同时访问但不允许任何进程对它进行修改的代码。4.6.3信息共享信息共享ed1ed40data1data10ed1ed40data1data10进程进程1进程进程2页表页表页表页表ed1ed2ed40data1data10data1.data10主存主存021226061707180editordata1editordata2进程进

19、程1进程进程2段表段表editordata1data2主存主存80240280380420段长段长 基址基址段长段长基址基址既具有分段系统的便于实现、分段可共享、既具有分段系统的便于实现、分段可共享、易于保护、可动态链接等优点易于保护、可动态链接等优点又能像分页系统那样解决内存的又能像分页系统那样解决内存的外部碎片外部碎片问问题，以及可为各个分段离散地分配内存等问题，以及可为各个分段离散地分配内存等问题。题。4.6.4 段页式存储管理方式段页式存储管理方式 段页式存储管理基本原理 分段和分页原理结合分段和分页原理结合先将先将用户程序划分成用户程序划分成若干个段，若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。予一个段名。 图 作业地址空间和地址结构 04K8K12K15K16K子程序段04K8K数据段04K8